SiC மற்றும் GaN பவர் சாதனங்களில் அயன் பொருத்துதல் தொழில்நுட்பத்தின் சவால்கள்

பரந்த பேண்ட்கேப் (WBG) குறைக்கடத்திகள் போன்றவைசிலிக்கான் கார்பைடு(SiC) மற்றும்காலியம் நைட்ரைடு(GaN) மின்சக்தி மின்னணு சாதனங்களில் பெருகிய முறையில் முக்கிய பங்கு வகிக்கும் என்று எதிர்பார்க்கப்படுகிறது. பாரம்பரிய சிலிக்கான் (Si) சாதனங்களை விட அவை பல நன்மைகளை வழங்குகின்றன, இதில் அதிக செயல்திறன், ஆற்றல் அடர்த்தி மற்றும் மாறுதல் அதிர்வெண் ஆகியவை அடங்கும்.அயன் பொருத்துதல்Si சாதனங்களில் தேர்ந்தெடுக்கப்பட்ட ஊக்கமருந்துகளை அடைவதற்கான முதன்மை முறையாகும். இருப்பினும், பரந்த பேண்ட்கேப் சாதனங்களுக்குப் பயன்படுத்தும்போது சில சவால்கள் உள்ளன. இந்த கட்டுரையில், இந்த சவால்களில் சிலவற்றில் கவனம் செலுத்துவோம் மற்றும் GaN பவர் சாதனங்களில் அவற்றின் சாத்தியமான பயன்பாடுகளை சுருக்கமாகக் கூறுவோம்.

01

பல காரணிகள் நடைமுறை பயன்பாட்டை தீர்மானிக்கின்றனஊக்கமளிக்கும் பொருட்கள்குறைக்கடத்தி சாதன உற்பத்தியில்:

ஆக்கிரமிக்கப்பட்ட லேட்டிஸ் தளங்களில் குறைந்த அயனியாக்கம் ஆற்றல். Si அயனியாக்கம் செய்யக்கூடிய ஆழமற்ற நன்கொடையாளர்கள் (n-வகை ஊக்கமருந்துக்கு) மற்றும் ஏற்பிகள் (p-வகை ஊக்கமருந்துக்கு) கூறுகளைக் கொண்டுள்ளது. பேண்ட்கேப்பில் உள்ள ஆழமான ஆற்றல் நிலைகள் மோசமான அயனியாக்கத்தை விளைவிக்கிறது, குறிப்பாக அறை வெப்பநிலையில், கொடுக்கப்பட்ட டோஸுக்கு குறைந்த கடத்துத்திறனுக்கு வழிவகுக்கிறது. வணிக அயனி உள்வைப்புகளில் மூலப் பொருட்கள் அயனியாக்கம் செய்யக்கூடியவை மற்றும் உட்செலுத்தக்கூடியவை. திட மற்றும் வாயு மூலப் பொருட்களின் கலவைகள் பயன்படுத்தப்படலாம், மேலும் அவற்றின் நடைமுறைப் பயன்பாடு வெப்பநிலை நிலைத்தன்மை, பாதுகாப்பு, அயனி உற்பத்தி திறன், வெகுஜனப் பிரிப்புக்கான தனித்துவமான அயனிகளை உருவாக்கும் திறன் மற்றும் விரும்பிய ஆற்றல் உள்வைப்பு ஆழத்தை அடைதல் ஆகியவற்றைப் பொறுத்தது.

வணிக அயனி இம்ப்ளாண்டர்களில் அயனியாக்கம் செய்யக்கூடிய மூலப் பொருட்கள். திட மற்றும் வாயு மூலப் பொருட்களின் கலவைகள் பயன்படுத்தப்படலாம், மேலும் அவற்றின் நடைமுறைப் பயன்பாடு வெப்பநிலை நிலைத்தன்மை, பாதுகாப்பு, அயனி உற்பத்தி திறன், வெகுஜனப் பிரிப்புக்கான தனித்துவமான அயனிகளை உருவாக்கும் திறன் மற்றும் விரும்பிய ஆற்றல் உள்வைப்பு ஆழத்தை அடைதல் ஆகியவற்றைப் பொறுத்தது.

அட்டவணை 1: SiC மற்றும் GaN மின் சாதனங்களில் பயன்படுத்தப்படும் பொதுவான டோபண்ட் இனங்கள்

பொருத்தப்பட்ட பொருளுக்குள் பரவல் விகிதங்கள். சாதாரண பிந்தைய உள்வைப்பு அனீலிங் நிலைமைகளின் கீழ் அதிக பரவல் விகிதங்கள் கட்டுப்பாடற்ற சந்திப்புகள் மற்றும் சாதனத்தின் விரும்பத்தகாத பகுதிகளில் டோபண்ட் பரவலுக்கு வழிவகுக்கும், இதன் விளைவாக சாதனத்தின் செயல்திறன் குறைகிறது.

செயல்படுத்துதல் மற்றும் சேதம் மீட்பு. டோபான்ட் ஆக்டிவேஷன் என்பது அதிக வெப்பநிலையில் காலியிடங்களை உருவாக்குவதை உள்ளடக்குகிறது, உள்வைக்கப்பட்ட அயனிகளை இடைநிலை நிலைகளிலிருந்து மாற்று லட்டு நிலைகளுக்கு நகர்த்த அனுமதிக்கிறது. இம்ப்ளான்டேஷன் செயல்பாட்டின் போது உருவான உருமாற்றம் மற்றும் படிக குறைபாடுகளை சரிசெய்வதற்கு சேத மீட்பு முக்கியமானது.

SiC மற்றும் GaN சாதன உற்பத்தியில் பொதுவாகப் பயன்படுத்தப்படும் சில டோபண்ட் இனங்கள் மற்றும் அவற்றின் அயனியாக்கம் ஆற்றல்களை அட்டவணை 1 பட்டியலிடுகிறது.

SiC மற்றும் GaN இரண்டிலும் n-வகை ஊக்கமருந்து என்பது மேலோட்டமான டோபண்டுகளுடன் ஒப்பீட்டளவில் நேரடியானதாக இருந்தாலும், அயன் பொருத்துதலின் மூலம் p-வகை ஊக்கமருந்துகளை உருவாக்குவதில் ஒரு முக்கிய சவால் கிடைக்கக்கூடிய தனிமங்களின் உயர் அயனியாக்கம் ஆற்றல் ஆகும்.

02

சில முக்கிய உள்வைப்பு மற்றும்அனீலிங் பண்புகள்GaN இல் பின்வருவன அடங்கும்:

SiC போலல்லாமல், அறை வெப்பநிலையுடன் ஒப்பிடும்போது சூடான உள்வைப்பைப் பயன்படுத்துவதில் குறிப்பிடத்தக்க நன்மை எதுவும் இல்லை.

GaN ஐப் பொறுத்தவரை, பொதுவாகப் பயன்படுத்தப்படும் n-வகை டோபண்ட் Si ஆனது ambipolar ஆக இருக்கலாம், n-வகை மற்றும்/அல்லது p-வகை நடத்தையை அதன் ஆக்கிரமிப்பு தளத்தைப் பொறுத்து வெளிப்படுத்துகிறது. இது GaN வளர்ச்சி நிலைமைகளைச் சார்ந்தது மற்றும் பகுதி இழப்பீட்டு விளைவுகளுக்கு வழிவகுக்கும்.

பயன்படுத்தப்படாத GaN இல் அதிக பின்னணி எலக்ட்ரான் செறிவு காரணமாக GaN இன் P-டோப்பிங் மிகவும் சவாலானது, மெக்னீசியம் (Mg) p-type dopant இன் உயர் அளவுகள் பொருளை p-வகையாக மாற்றுவதற்கு தேவைப்படுகிறது. இருப்பினும், அதிக அளவுகள் அதிக அளவு குறைபாடுகளை விளைவித்து, கேரியர் பிடிப்பு மற்றும் ஆழமான ஆற்றல் மட்டங்களில் இழப்பீடு பெற வழிவகுக்கும், இதன் விளைவாக மோசமான டோபண்ட் செயல்படுத்தல் ஏற்படுகிறது.

GaN வளிமண்டல அழுத்தத்தின் கீழ் 840 ° C க்கும் அதிகமான வெப்பநிலையில் சிதைகிறது, இது N இழப்பு மற்றும் மேற்பரப்பில் Ga நீர்த்துளிகள் உருவாக வழிவகுக்கிறது. பல்வேறு வகையான விரைவான வெப்ப அனீலிங் (RTA) மற்றும் SiO2 போன்ற பாதுகாப்பு அடுக்குகள் பயன்படுத்தப்பட்டுள்ளன. SiC க்கு பயன்படுத்தப்படும் வெப்பநிலையுடன் ஒப்பிடும்போது அனீலிங் வெப்பநிலை பொதுவாக குறைவாக இருக்கும் (<1500°C). உயர் அழுத்தம், பல சுழற்சி RTA, மைக்ரோவேவ் மற்றும் லேசர் அனீலிங் போன்ற பல முறைகள் முயற்சிக்கப்பட்டுள்ளன. ஆயினும்கூட, p+ பொருத்துதல் தொடர்புகளை அடைவது ஒரு சவாலாகவே உள்ளது.

03

செங்குத்து Si மற்றும் SiC ஆற்றல் சாதனங்களில், அயன் பொருத்துதல் மூலம் p-வகை ஊக்கமருந்து வளையத்தை உருவாக்குவதே எட்ஜ் டெர்மினனுக்கான பொதுவான அணுகுமுறையாகும்.தேர்ந்தெடுக்கப்பட்ட ஊக்கமருந்துகளை அடைய முடிந்தால், அது செங்குத்து GaN சாதனங்களை உருவாக்குவதற்கும் உதவும். மெக்னீசியம் (Mg) டோபண்ட் அயன் பொருத்துதல் பல சவால்களை எதிர்கொள்கிறது, அவற்றில் சில கீழே பட்டியலிடப்பட்டுள்ளன.

1. உயர் அயனியாக்கம் திறன் (அட்டவணை 1 இல் காட்டப்பட்டுள்ளது).

2. உள்வைப்பு செயல்பாட்டின் போது உருவாகும் குறைபாடுகள் நிரந்தர கொத்துக்களை உருவாக்க வழிவகுக்கும், இதனால் செயலிழக்கச் செய்யலாம்.

3. செயல்படுத்துவதற்கு அதிக வெப்பநிலை (>1300°C) தேவைப்படுகிறது. இது GaN இன் சிதைவு வெப்பநிலையை மீறுகிறது, சிறப்பு முறைகள் தேவை. 1 GPa இல் N2 அழுத்தத்துடன் அல்ட்ரா-ஹை பிரஷர் அனீலிங் (UHPA) பயன்படுத்துவது ஒரு வெற்றிகரமான எடுத்துக்காட்டு. 1300-1480 டிகிரி செல்சியஸ் வெப்பநிலையில் அனீலிங் 70% க்கும் அதிகமான செயல்பாட்டை அடைகிறது மற்றும் நல்ல மேற்பரப்பு கேரியர் இயக்கத்தை வெளிப்படுத்துகிறது.

4. இந்த உயர் வெப்பநிலையில், மக்னீசியம் பரவலானது சேதமடைந்த பகுதிகளில் புள்ளி குறைபாடுகளுடன் தொடர்பு கொள்கிறது, இது தரப்படுத்தப்பட்ட சந்திப்புகளுக்கு வழிவகுக்கும். MOCVD அல்லது MBE வளர்ச்சி செயல்முறைகளைப் பயன்படுத்தும் போது கூட, p-GaN மின்-முறை HEMTகளில் Mg விநியோகத்தைக் கட்டுப்படுத்துவது ஒரு முக்கிய சவாலாகும்.

படம் 1: Mg/N இணை-இம்ப்ளான்டேஷன் மூலம் pn சந்திப்பு முறிவு மின்னழுத்தம் அதிகரித்தது

Mg உடன் நைட்ரஜனின் (N) இணை-பதிவு Mg டோபண்டுகளின் செயல்பாட்டை மேம்படுத்துவதாகவும், பரவலை அடக்குவதாகவும் காட்டப்பட்டுள்ளது.1200°Cக்கு மேலான வெப்பநிலையில் இந்த காலியிடங்களை மீண்டும் இணைக்க உதவும் N implantation மூலம் காலியிடங்களைத் திரட்டுவதைத் தடுப்பதே மேம்படுத்தப்பட்ட செயலாக்கத்திற்குக் காரணம். கூடுதலாக, N உள்வைப்பினால் உருவாக்கப்பட்ட காலியிடங்கள் Mg இன் பரவலைக் கட்டுப்படுத்துகின்றன, இதன் விளைவாக செங்குத்தான சந்திப்புகள் ஏற்படுகின்றன. முழு அயனி பொருத்துதல் செயல்முறை மூலம் செங்குத்து பிளானர் GaN MOSFET களை தயாரிக்க இந்த கருத்து பயன்படுத்தப்பட்டது. 1200V சாதனத்தின் குறிப்பிட்ட ஆன்-ரெசிஸ்டன்ஸ் (RDSon) ஈர்க்கக்கூடிய 0.14 Ohms-mm2 ஐ எட்டியது. இந்த செயல்முறையானது பெரிய அளவிலான உற்பத்திக்கு பயன்படுத்தப்பட்டால், அது செலவு குறைந்ததாக இருக்கும் மற்றும் Si மற்றும் SiC பிளானர் செங்குத்து சக்தி MOSFET ஃபேப்ரிக்கேஷனில் பயன்படுத்தப்படும் பொதுவான செயல்முறை ஓட்டத்தைப் பின்பற்றலாம். படம் 1 இல் காட்டப்பட்டுள்ளபடி, இணை உள்வைப்பு முறைகளின் பயன்பாடு pn சந்திப்பு முறிவை துரிதப்படுத்துகிறது.

04

மேற்கூறிய சிக்கல்களின் காரணமாக, p-GaN ஊக்கமருந்து பொதுவாக p-GaN e-mode உயர் எலக்ட்ரான் மொபிலிட்டி டிரான்சிஸ்டர்களில் (HEMTs) பொருத்தப்படுவதற்குப் பதிலாக வளர்க்கப்படுகிறது. HEMT களில் அயன் பொருத்துதலின் ஒரு பயன்பாடு பக்கவாட்டு சாதனம் தனிமைப்படுத்தல் ஆகும். ஹைட்ரஜன் (H), N, இரும்பு (Fe), ஆர்கான் (Ar) மற்றும் ஆக்ஸிஜன் (O) போன்ற பல்வேறு உள்வைப்பு இனங்கள் முயற்சி செய்யப்பட்டுள்ளன. பொறிமுறையானது முக்கியமாக சேதத்துடன் தொடர்புடைய பொறி உருவாக்கத்துடன் தொடர்புடையது. மெசா எட்ச் தனிமைப்படுத்தல் செயல்முறைகளுடன் ஒப்பிடும்போது இந்த முறையின் நன்மை சாதனம் தட்டையானது. படம் 2-1, அடையப்பட்ட தனிமைப்படுத்தல் அடுக்கு எதிர்ப்பு மற்றும் உள்வைப்புக்குப் பிறகு அனீலிங் வெப்பநிலை ஆகியவற்றுக்கு இடையேயான உறவை விவரிக்கிறது. படத்தில் காட்டப்பட்டுள்ளபடி, 107 Ohms/sq க்கும் அதிகமான எதிர்ப்பை அடையலாம்.

படம் 2: பல்வேறு GaN ஐசோலேஷன் உள்வைப்புகளுக்குப் பிறகு தனிமைப்படுத்தல் அடுக்கு எதிர்ப்பு மற்றும் அனீலிங் வெப்பநிலை ஆகியவற்றுக்கு இடையேயான உறவு

சிலிக்கான் (Si) பொருத்துதலைப் பயன்படுத்தி GaN அடுக்குகளில் n+ Ohmic தொடர்புகளை உருவாக்குவது குறித்து பல ஆய்வுகள் நடத்தப்பட்டாலும், அதிக தூய்மையற்ற செறிவுகள் மற்றும் அதன் விளைவாக லேட்டிஸ் சேதம் காரணமாக நடைமுறைச் செயலாக்கம் சவாலாக இருக்கலாம்.Si இம்ப்ளாண்டேஷனைப் பயன்படுத்துவதற்கான ஒரு உந்துதல், தங்கத்தை (Au) பயன்படுத்தாமல் Si CMOS இணக்கமான செயல்முறைகள் அல்லது அடுத்தடுத்த உலோகக் கலவை செயல்முறைகள் மூலம் குறைந்த-எதிர்ப்புத் தொடர்புகளை அடைவதாகும்.

05

HEMT களில், F இன் வலுவான எலக்ட்ரோநெக்டிவிட்டியை மேம்படுத்துவதன் மூலம் சாதனங்களின் முறிவு மின்னழுத்தத்தை (BV) அதிகரிக்க குறைந்த அளவிலான ஃப்ளோரின் (F) பொருத்துதல் பயன்படுத்தப்படுகிறது. 2-DEG எலக்ட்ரான் வாயுவின் பின்புறத்தில் எதிர்மறையாக சார்ஜ் செய்யப்பட்ட பகுதியின் உருவாக்கம், உயர்-புலப் பகுதிகளுக்கு எலக்ட்ரான்களை உட்செலுத்துவதை அடக்குகிறது.

படம் 3: (அ) முன்னோக்கி பண்புகள் மற்றும் (ஆ) செங்குத்து GaN SBD இன் தலைகீழ் IV F பொருத்துதலுக்குப் பிறகு முன்னேற்றத்தைக் காட்டுகிறது

GaN இல் அயன் பொருத்துதலின் மற்றொரு சுவாரஸ்யமான பயன்பாடு செங்குத்து ஷாட்கி பேரியர் டையோட்களில் (SBDs) F உள்வைப்பைப் பயன்படுத்துவதாகும். இங்கே, உயர்-எதிர்ப்பு முனை முடிவுப் பகுதியை உருவாக்க, மேல் அனோட் தொடர்புக்கு அடுத்த மேற்பரப்பில் F உள்வைப்பு செய்யப்படுகிறது. படம் 3 இல் காட்டப்பட்டுள்ளபடி, தலைகீழ் மின்னோட்டம் ஐந்து ஆர்டர் அளவுகளால் குறைக்கப்படுகிறது, அதே நேரத்தில் BV அதிகரிக்கப்படுகிறது.**